有源电力滤波器课程设计

优质文档书目1 设计相关学问介绍11.1 谐波根本概念11.2 谐波主要危害11.3抑制谐波方法12 APF的根本工作原理33 APF根本组成局部53.1 主电路53.1.1 PWM限制的根本原理53.1.2 主电路构造73.2 指令电流运算局部83.2.1 瞬时无功理论定义83.2.2 基于瞬时无功理论检测法93.3 电流跟踪限制局部11电流滞环限制原理113.3.2 三相电流滞环限制原理123.4 驱动电路14参考文献15优质文档1 设计相关学问介绍11.1 谐波根本概念1882年，法国数学家傅里叶指出，一个随意函数都可以分解为无穷多个不同频率正弦信号的和。基于此，国际电工标准定义谐波为：谐波重量为周期量的傅里叶级数中大于1的H次重量。把谐波次数的H定义为：以谐波频率和基波频率的之比的整数。电气和电子工程协会标准定义谐波为：谐波为一个周期波或量的正弦波重量，其频率为基波的整数倍。总结二者，目前国际普遍定义谐波为：谐波是一个周期电气量的正弦波重量，其频率为基波频率的整数倍。1.2 谐波主要危害谐波探究和治理对于现代工业生产意义重大，这是因为谐波不仅降低电能的生产、传输和利用效率，而且给供、用电设备的正常运行带来紧要危急。对于电力系统，谐波会放大系统局部并联谐振或串联谐振现象，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电爱护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电气设备，谐波可以使电气设备产生振动和噪声，还可以产生过热现象，促使绝缘老化，缩短设备运用寿命，甚至发生故障或烧毁。谐波对通信设备和电子设备会产生紧要干扰。电力系统产生的谐波和平凡电话线路传输的音频信号及人耳的音频敏感信号相比在信号频带上具有必须的重叠性，而且二者功率相差悬殊。对于通信的干扰，也是谐波的主要危害之一。谐波污染是电力电子技术开展的重大障碍。电力电子技术是将来科学技术开展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动限制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术开展的重大障碍，它迫使电力电子领域的探究人员必需对谐波问题进展更为有效探究。因此，谐波治理已经成为电气工程领域迫切须要解决的问题。 1.3抑制谐波方法随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了须要电能成倍的增长，对供电质量及供电牢靠性的要求也越来越多，电能质量受到人们的日益重视。 于是各国纷纷出台措施，制定相关标准。目前滤波是治理电网污染的有效方法，滤波就是将信号中特定的波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。它分为无源滤波和有源滤波。(1) 无源滤波图1-1无源滤波器构造无源滤波器，又称LC滤波器，是利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或屡次谐波，最易于采纳的无源滤波器构造是将电感和电容串联，可对主要次谐波构成低阻抗旁路；单调谐滤波器、双调谐滤波器、高通滤波器都属于无源滤波器。无源滤波器具有构造简洁、本钱低廉、运行牢靠性较高、运行费用较低等优点。根本的无源滤波器的拓扑构造如上图1-1所示。2有源滤波目前，谐波抑制的一个重要趋势是采纳电力有源滤波器(ACTIVE POWER FILTER-APF)。有源电力滤波器也是一种电力电子装置。其根本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生和该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而消退电网中的谐波。这种滤波器能对频率和幅值都变更的谐波进展跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，并且在日本等国得到广泛的应用。有源电力滤波器的根本思想在六七十年头就己经形成。80年头以来，由于大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制限制技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器才得以快速开展。2 APF的根本工作原理2图2-1为APF的系统框图。图中，ES表示沟通电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大局部组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流重量。补偿电流发生电路的作用是依据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流，它由电流跟踪限制电路、驱动电路和主电路三个局部构成。主电路目前均采纳PWM变流器。图2-1 APF 系统框图图2-2为APF的系统原理图。图中EA 、EB 、EC为沟通电源，谐波电流源为非线性负载， ，分别代表三相的电网阻抗。而有源电力滤波器主要由以下几局部组成，指令运算电路，电流跟踪限制电路，驱动电路以及主电路。其中指令运算电路的主要任务是遵照要求检测出负载电流中的谐波、无功以及负序重量。电流跟踪限制电路，驱动电路以及主电路和在一起可以称为补偿电流发生电路，它的主要作用是依据指令运算电路得出的补偿指令，产生实际的补偿电流。主电路主要由IGBT 构成的电压型PWM变流器，以及和其相连的电感和直流侧电容组成。图2-2 APF系统原理图3 APF根本组成局部3.1 主电路3.1.1 PWM限制的根本原理3 PWM限制技术在逆变电路中应用最广，应用的逆变电路绝大局部是PWM型，PWM限制技术正是有赖于在逆变电路中的应用，才确定了它在电力电子技术中的重要地位。本文主要以逆变电路为限制对象来介绍PWM限制技术。冲量相等而形态不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果根本一样。冲量指窄脉冲的面积。效果根本一样，是指环节的输出响应波形根本一样。低频段特别接近，仅在高频段略有差异。图3-1形态不同而冲量一样的各种窄脉冲分别将如图3-1所示的电压窄脉冲加在一阶惯性环节R-L电路上，如图3-2a所示。其输出电流i(t)对不同窄脉冲时的响应波形如图3-2b所示。从波形可以看出，在i(t)的上升段，i(t)的形态也略有不同，但其下降段那么几乎完全一样。脉冲越窄，各i(t)响应波形的差异也越小。假如周期性地施加上述脉冲，那么响应i(t)也是周期性的。用傅里叶级数分解后将可看出，各i(t)在低频段的特性将特别接近，仅在高频段有所不同。用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波，正弦半波N等分，看成N个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等；用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积冲量相等，宽度按正弦规律变更。上述原理可以称为面积等效原理，它是PWM限制技术的重要理论根底。下面分析用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波。图3-3可以看到把半波分成N等份，就可以把正弦半波看成N个彼此相连的脉冲序列组成的波形，然后把脉冲序列利用一样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使它们面积相等，就可以得到脉冲序列。依据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。图3-2 冲量一样的各种窄脉冲的响应波形图3-3 用PWM波代替正弦半波要变更等效输出正弦波幅值，按同一比例变更各脉冲宽度即可。 主电路构造 作为主电路的PWM变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作，因此可称为逆变器。但它不仅仅是单独作为逆变器而工作的，当在电网向有源电力滤波器直流侧储能元件充电时，它就作为整流器工作，即它既可以工作在逆变状态，也可工作在整流状态，所以多以变流器称之。在应用中主电路多以三相桥式变流器为主，三相桥式变流器又可分为电压型和电流型两种。而电压型应用较为广泛。随着电力电子器件技术和限制技术的开展，先进的功率器件的应用给主电路性能带来了很大变更。常用的PWM变流器多为电压型变流器，单个电压型PWM变流器其根本的拓扑构造如下列图3-4所示：图3-4 电压型逆变电路电压型PWM变流器的根本特点是：（1） 直流侧为电压源或并联有大电容，在正常工作时，其电压根本保持不变，可看作电压源。2对电压型PWM变流器，为保持直流侧电压不变，须要对直流侧电压进展限制。3电压型PWM变流器的沟通侧输出电压为PWM波。限制各个开关器件轮番导通和关断，同时使另一个器件导通，就实现了两个器件之间的换流，电路的环流方式分为180度导通型和120度导通型。所谓180度导通型是指同一桥臂上、下两管之间相互换流。而120度道通型是指在同一排不同桥臂的左、右两管之间进展的。但180度导通型应当留意防止上、下桥臂的直通。3.2 指令电流运算局部4指令运算局部实质上就是谐波电流检测局部，谐波检测的方法许多，早期的模拟法，到后来的傅里叶分析法，还有人工神经网络法，瞬时无功功率理论等，但应用较为广泛的还是瞬时无功功率理论，该理论的产生为有源电力滤波器的开展注入了别致的活力。 瞬时无功理论定义瞬时无功理论在无功补偿和谐波检测等领域都得到了广泛的应用，以该理论为根底构成的 APF 可以实现对频率和大小都变更的无功和谐波电流进展实时的检测。这种检测方法有可以分为 P-Q法和法。本论文就是利用法进展谐波和无功电流的实时检测的。本设计探究的系统为三相三线制系统，可以先将三相的电压和电流转换到静止的-系统中。设三相电路各相瞬时电压和电流分别为，和 ， ，分别将它们变换到两相正交的-坐标上，两项瞬时电压为 ，。电流为 ，即 (1) (2)式中，C32是三相到两相的坐标变换阵，定义瞬时有功功率 P 和无功功率Q为： (3)此时此刻假设系统三相电压和三相电流均为正序基波正弦信号时，设三相电压、三相电流分别为： 4 5那么变换到-两相静止坐标系中的向量为： (6) (7)所以得到瞬时有功功率和无功功率为:, (8)从式(8)可以看出，在三相系统的电压和电流均为基波正序电压和电流时，遵照上面定义计算的瞬时有功功率和无功功率 P 、Q只包含直流重量，并且和传统的三相有功功率和无功功率计算的结果一样。瞬时无功功率理论只用了一个时刻三相电压和电流的数值，所以这种功率计算方法大大提高了计算的效率。 基于瞬时无功理论检测法日本学者H.AKAGI 于1984年提出了基于时域的非线性条件下的瞬时无功功率理论，它以瞬时实功率P 和瞬时虚功率Q 的定义为根底，故称P-Q理论。 后又补充定义了瞬时有功电流，和瞬时无功电流，等物理量，并将其应用于电力系统谐波检测。目前基于瞬时无功功率理论的谐波检测探究已经特别深人，并取得了工程应用成果。 在有源电力滤波器中，它是总谐波实时检测的主要方法。以计算P和Q为启程点的方法称为P-Q法，以计算和为启程点的方法称为IP-IQ法，它们的优点是都能精确地检测对称三相电路的谐波值，且实时性较好，在只需测量谐波时可以省去锁相环电路，能快速跟踪电流，进展实时补偿，不受电网参数和负载影响，缺点是适应范围小，只适应于对称三相电网。1)P-Q 法，该运算方法原理如图3-5所示。图3-5 P-Q运算方法原理图依据该方法算出的P，Q，经低通滤波器(LPF)得直流重量，. 电网电压无畸变时，为基波有功电流和电压作用所产生，为基波无功电流和电压作用所产生。所以由，可以计算出检测电流 , ,的基波重量 , ,从 , ,中减去 , ,，即可得到谐波电流 , , 2) 法.该运算方法原理如图3-6所示。图3-6 法运算方法原理图该方法不干脆对采样得到的三相系统电压进展变换，而是以和电压矢量同步的单位正序基波矢量来代替电压矢量。依据瞬时无功理论可得图3-6 中，由于电压为单位正序基波矢量，所以依据定义可计算出，经LPF滤波可得直流重量, 这里, 是对应于电流基波重量，的，因此由, 可以计算出，进而可以计算出，以上两种方法中法的适用范围更广，更能适应电网电压不对称和电压波形畸变的状况。因为 ,运算方式中只需读取和参和运算，畸变电压的谐波成分在运算中不出现，所以在电源电压畸变状况下也能精确检测出谐波电流，而P-Q法在这种状况下误差较大。基于瞬时无功功率理论方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，检测基波正序无功重量、不对称重量及高次谐波重量的实现电路比拟简洁，并且延时小，具有很好的实时性。3.3 电流跟踪限制局部3该局部作用是：依据补偿电流指令信号和实际补偿电流之间的差异，得出限制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的PWM信号，限制的结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变更。目前应用较为广泛的跟踪型PWM限制方式有以下三种方式：滞环比拟方式、定周期瞬时值比拟方式和三角波比拟方式。和三角载波限制相比,滞环比拟限制具有开关损耗小、动态响应快、鲁棒性好、限制精度高等特点。所以本设计采纳滞环比拟方式。电流滞环限制原理常用的一种电流闭环限制方法是电流滞环跟踪 PWMCurrent Hysteresis Band PWM CHBPWM限制，具有电流滞环跟踪 PWM 限制的 PWM 变压变频器的A相限制原理如3-7图所示。图3-7 电流滞环跟踪限制的A相原理图图中，电流限制器是带滞环的比拟器，环宽为2h。将给定电流 和输出电流 进展比拟，电流偏差超过时，经滞环限制器HBC限制逆变器 A相上或下桥臂的功率器件动作。B、C 二相的原理图均和此一样。假如， ， 且，滞环限制器 HBC输出正电平，驱动上桥臂功率开关器件V1导通，变压变频器输出正电压，使增大。当增长到和相等时，虽然滞环比拟器的输入信号的符号发生了变更，但HBC仍保持正电平输出，保持导通，使接着增大直到到达， ，使滞环翻转，HBC输出负电平，关断V1 ，并经过延时后驱动V4，直到电流的负半周V4才能导通。但此时未必能够导通，由于电感作用，电流不会反向，而是通过二极管续流，使受到反向钳位而不能导通。此后，渐渐减小，直到时，到达滞环偏差的下限值，使HBC再翻转，又重复使V1导通。这样，和交替工作，使输出电流给定值之间的偏差保持在范围内，在正弦波上下作锯齿状变更。从图3-8中可以看到，输出电流是特别接近正弦波的。图3-8 电流滞环跟踪限制时的电流波形 三相电流滞环限制原理图3-9 三相电流跟踪型PWM逆变电路图3-10 三相电流跟踪型PWM逆变电路输出波形因此，输出相电压波形呈PWM状，但和两侧窄中间宽的SPWM波相反，两侧增宽而中间变窄，这说明为了使电流波形跟踪正弦波，应当调整一下电压波形。电流跟踪限制的精度和滞环的环宽有关，同时还受到功率开关器件允许开关频率的制约。当环宽选得较大时，可降低开关频率，但电流波形失真较多，谐波重量高；假如环宽太小，电流波形虽然较好，却使开关频率增大了。这是一对冲突的因素，管用中，应在充分利用器件开关频率的前提下，正确地选择尽可能小的环宽。采纳滞环比拟方式的电流跟踪型PWM沟通电路有以下特点：1. 硬件电路简洁；2. 属于事实限制方式，电流反响快；3. 不须要载波，输出电压波形中不含有特定频率的谐波重量；4. 和计算法及调制法相比，一样开关频率时输出电流中高次谐波含量较多；5. 闭环限制，这是各种跟踪型PWM沟通电路的共同特点。3.4 驱动电路5IGBT的驱动电路必需具备2个功能：一是实现限制电路和被驱动IGBT栅极的电气隔离；二是供应适宜的栅极驱动脉冲。实现电气隔离可采纳脉冲变压器、微分变压器及光电耦合器。图3-11采纳光耦合器等分立元件构成的IGBT驱动电路。当输入限制信号时，光耦VLC导通，晶闸管V2截止，V3导通输出+15V驱动电压。当输入限制信号为0时，VLC截止，V2、V4导通，输出-10V电压。+15V和-10V电源需靠近驱动电路，驱动电路输出端及电源地端至IGBT栅极和放射极的引线应采纳双绞线，长度最好不超过0.5m。图3-11 由分立元件构成的驱动电路4 心得体会通过此次课程设计，使我更加扎实的驾驭了有关电力电子方面的学问，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思索，一遍又一遍的检查最终找出了缘由所在，也暴露出了前期我在这方面的学问欠缺和经历缺乏。实践出真知，通过亲自查资料，设计，使我们驾驭的学问更加坚固。在今后社会的开展和学习实践过程中，必须要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，必须要不厌其烦的发觉问题所在，然后一一进展解决，只有这样，才能胜利的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样恒久不行能收获胜利，收获喜悦，也恒久不行能得到社会及他人对你的认可。参考文献1王兆安,杨君等.谐波抑制和无功功率补偿M.北京:机械工业出版社,2005.102姜齐荣，赵东元等.有源电力滤波器构造原理限制M.北京：科学出版社，20054 尹发根电力谐波检测方法的比拟和探究, 中国高新技术企业，2009.VOL.19, NO.2, PP.7-83王兆安主编.电力电子技术M.北京：机械工业出版社.5林红,周鑫霞编.模拟电路根底M.北京：清华大学出版社.